Основні положення та означення

1. Електролітична дисоціація.

Чиста дистильована вода — практично діелектрик. Молекули води є природними диполя­ми. Припустимо, що у воді є молекула соляної кислоти НС1. Ця моле­кула складається з іону Н⁺ і іону СІ^-, які утримуються кулонівською силою притягання. Вода великою мірою ослаблює електричну взаємодію зарядів (приблизно у 80 раз), а молекули води, які хаотично рухаються, вдаряють з усіх боків молекулу соляної кис­лоти; внаслідок цього молекула НС1 розпадається на іони. Можна ска­зати, що диполі води оточують молекулу кислоти і ніби розтягають її на іони (рис.19.1). Зауважимо, що різнойменно заряджені іони, які є у воді, притягуються і, зустрівшись, можуть знову утворити молеку­ли. Тому, коли кислота потрапляє у воду, там триває не тільки процес розпаду молекул на іони, а й обернений процес утворення нейтральних молекул з іонів НС1↔Н⁺ + Сl^-

(стрілка показують, що процес відбувається в обох напрямах).

Роз­пад молекул на іони під дією розчинника називають електролітичною дисоціацією.

Число, яке показує, яку частину всіх молекул розчиненої речовини становлять молекули, що розпалися на іони, називає­ться ступенем дисоціації

2Отже, рухомими носіями зарядів у розчинах є лише іони. Під час дисоціації іони водню і всіх металів заряджені позитивно. Іони в роз­чині іноді утворюють групу з кількох атомів. Зазначимо, що дисоціацію молекул на іони може спричинити не тільки розчинник. Наприклад, під час значного нагрівання речовини її молекули, які складаються з іонів, можуть дисоціювати на окремі іони. Тому розплави солей також є провідниками електричного струму.

3. Отже, згідно з теорією електролітичної дисоціації, у розчинах солей, кислот і лугів завжди є вільні іони, бо вони виникають у момент розчинення речовини у воді або в іншому розчиннику.

 

4. Електроліз. Рідкий провідник, в якому рухомими носіями зарядів є лише іони, називають електролітом. Нехай у ванну налито розчин сірчаної кис­лоти у воді. Молекули сірчаної кислоти дисоціюють згідно з рівняннямH₂SO₄ ↔ 2Н⁺ + SO₄^--.

Опустимо у ванну платинові пластини і з'єднаємо їх через ампер­метр з батареєю. Ці пластини називаються є л є к т р од а м и. Електрод, з'єднаний з позитивним полюсом батареї, називають анодом, а електрод, з'єднаний з негативним полюсом,— като­дом. Якщо коло замкнути ключем, то в електроліті між електродами виникне електричне поле. Під дією сил цього поля іони водню Н⁺ прямуватимуть до катода, а іони кислотного залишку SO₄ — до ано­да. Дійшовши до катода, іони Н⁺ приєднують до себе один з вільних електронів пластини і перетворюються в нейтральні атоми водню. З'єднуючись попарно, ці атоми утворюють молекули газоподібного водню, який і виділяється на катоді.

Встановлено, що в описаному випадку, крім іонів SO₄^{- -}, в елек­троліті є ще інші негативні іони, бо молекули самої води в невеликій кількості також дисоціюють: н₂о ↔н⁺ + он-.

Іони ОН^- (гідроксил) легко віддають свій зайвий електрон, а іони SO₄^-- утримують свої електрони міцніше. Тому на аноді, куди підхо­дять негативні іони, розряджаються іони ОН^-, а іони SО^-- залиша­ються в розчині. Під час розряджання іонів ОН^- утворюється вода і нейтральні молекули газоподібного кисню, який і виділяється на аноді.

Позначивши абсолютну величину заряду електрона буквою е_у усі ці процеси можна записати так: Утворення іонів у розчині 4Н₂О ↔4Н⁺ + 4ОН^--, H₂SO₄↔2H⁺ + SO₄^--

Процеси на катоді Процеси на аноді

4Н⁺ + 4е = 2Н₂ ↑ 4ОН^-— 4 е =. 2Н₂О + 0₂ ↑

(Виділяється газоподібний водень) (Виділяється кисень)

5. Отже, з розчину виходять складові частини молекул води, а скла­дові частини молекул кислоти залишаються в розчині. Це означає, що в міру проходження струму кількість води в розчині зменшується, а концентрація розчину зростає. Ось чому описаний процес іноді на­зивають розкладом води електричним струмом.

З описаного вище видно, що проходження електричного струму через електроліти супроводжується перетворенням речовини, тобто струм в електролітах чинить хімічну дію 6. Проходження електричного струму через електроліти, яке супроводиться хімічними перетворен­нями речовини і виділенням її на електродах, називається електролі­зом. Посудину з електродами, в якій є електроліт, називають елек­тролітичною ванною.

7. Позитивні іони в розчині називають катіонами (бо під час електролізу вони рухаються до катода), а негативні іони — аніонами. Нагадаємо, що катіонами є іони водню і металів.

8. Перший закон Фарадея. Явище електролізу вивчив М. Фарадей. Ви­мірюючи величину заряду, що пройшов через розчин, і масу катода до і після електролізу, Фарадей установив, що маса речовини, яка виділяється під час електролізу _у прямо пропорційна кількості електри­ки, що пройшла через розчин: m=k·q

Дане твердження є першим законом Фарадея.

Досліди Фарадея показали, що маса виділеної під час електролізу речовини залежить не тільки від величини заряду q, а й від роду речо­вини.

9. Коефіцієнт пропорційності k, який визначає залежність маси виділеної під час електролізу речовини від її роду, називають електро­хімічним еквівалентом речовини. Електрохімічний еквівалент вимірюється масою речовини, яка виділяється на електроді під час проходження через електроліт одиниці заряду: k=m/q. (k вимірюється в кг/Кл).

Оскільки q == I t, то перший закон Фарадея можна записати так: т = k I t.

На досліді електрохімічні еквіваленти можна визначити з великою точністю.

10. Другий закон Фарадея. Частку від ділення молярної маси іонів на їх валентність (М/n) називають хімічним еквівалентом цих іонів

В результаті своїх дослідів Фарадей установив, що для виділення на електроді одного хімічного еквівалента іонів будь-якого виду треба пропустити через електроліт однакову кількість електрики F. Цю кількість електрики називають числом Фарадея, або с т а лою Фарадея,

F=9,65 · 10⁷ Кл/моль

 

11. Електрохімічний еквівалент знаходять за формулою: k= (1/F)·(M/n)

Дана формула є математичним виразом другого закону Фарадея: електрохімічні еквіваленти різних речовин прямо пропор­ційні їх хімічним еквівалентам.

 

Конспект.

Розв’язування задач.

Модель № 1. (визначення товщини шару покриття)

 

 

Див. табл..густин

 

1.. Під час нікелювання виробів протягом 3 годин відклався шар нікелю товщиною 0,01 мм. Яка густина струму при електролізі? Електрохімічний еквівалент нікелю становить 3·10 ^-7кг/Кл. Густина нікелю 8,9·10³кг/м³. а)12,5А/м²; б)27,5А/м²; в)32,4А/м²; г)2А/м²;

 

Модель № 2. (визначення кількості молекул у шарі покриття)

 

m=M·N/N_A

Див. табл..Мендєлєєва

 

2.В електролітичній ванні, що містить розчин АgNOз, проходить струм 10 мА. Скільки атомів срібла виділиться на катоді за 1 секунду? Електрохімічний еквівалент срібла
становить 1,12·10^-6кг/Кл, молярна маса срібла 108 г/моль, число Авогадро 6,02-10²³моль^-1.

а) 3,1·10¹⁰; б)9,5·10¹⁴; в)8,2·10¹⁶; г) 11,2·10¹⁶; д) вірної відповіді тут немає.

 

Модель № 2. (витрати електричної енергії)

 

3..Якою є витрата електроенергії для отримання 1 кг алюмінію, якщо електроліз ведеться під напругою 10 В, а ККД установки 80%? Електрохімічний еквівалент алюмінію становить 9,3-10 ^-8кг/Кл. а) 134,4 МДж; б) 743 МДж; в) 200 МДж; г) 321,5 МДж; д) вірної відповіді тут немає.

 

Домашнє завдання.